CN209327005U - 一种适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，解决的技术问题是目前没有一种能够模拟不同围压工况下，以第四代半、第五代掘进机的多模式可测破岩效果的综合试验台。试验台包括保持架，其上设有围压加压装置、机械臂和可调刀盘，可调刀盘与保持架滑动连接，保持架通过顶升油缸与地基连接，机械臂一端与保持架连接，另一端设有喷嘴。本实用新型的实验台可开展不同围压、贯入度、岩石的水射流‑滚刀、粒子冲击‑滚刀、脉冲放电‑滚刀、激光‑滚刀等耦合破岩实验第四代半掘进机，也可单独对新型破岩方式进行破岩实验第五代掘进机，在实验室环境下通过对滚刀数据采集分析，为第四代半、第五代掘进机的研发提供试验指导。

Description

一种适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台

技术领域

本实用新型涉及隧道施工领域，具体涉及一种适用于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台。

背景技术

未来的隧道工程将面临空前复杂的地质条件和施工环境，呈现出长洞线、大埋深和大断面的发展趋势。单条隧洞中可能出现多种围岩类型，围岩压力、强度等指标也会随之变化。目前，在岩石隧洞开挖领域，TBM施工技术具有安全、高效、环保等优点，已经逐渐替代传统的钻爆法。但当TBM遇到高强度硬岩时，滚刀磨损严重，开挖效率受限，为此有人提出了第四代半、第五代掘进机的新思路，目的在于寻找新型破岩方式，联合滚刀或完全替代滚刀进行破岩。目前的新型破岩方式主要有高压水射流、激光、粒子冲击、脉冲放电等25种新型破岩方式，第四代半掘进机的破岩方式指的是以滚刀破岩为主，以高压水射流、激光、粒子冲击、脉冲放电等破岩方式为辅的破岩方式，第五代掘进机的破岩方式指的是高压水射流、激光、粒子冲击、脉冲放电等破岩为主，滚刀破岩为辅的新型破岩方式，但目前尚没有一种能够模拟真实工况下的多模式（如新型破岩方式+滚刀的联合破岩模式、单纯的新型破岩方式的破岩模式）可测破岩效果的综合试验台，针对该问题，实用新型了一种适用于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是目前尚没有一种能够模拟不同围压工况下，以第四代半掘进机和第五代掘进机的多模式可测破岩效果的综合试验台，提供一种可在实验室实现不同围压下滚刀数据采集分析，适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台。

为解决上述技术问题，本实用新型采用下述技术方案：一种适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，包括保持架，保持架上设有围压加压装置、机械臂和可调刀盘，可调刀盘与保持架滑动连接，保持架通过顶升油缸与地基连接，机械臂一端与保持架连接，机械臂另一端设有喷嘴。

所述的喷嘴为水射流喷嘴、粒子喷嘴、高压风、临界二氧化碳、液氮、激光发生器、高压脉冲电极、微波发生器等。

所述的围压加压装置包括回转座、加压油缸和施力板，与回转座相连设有反力板，加压油缸的底座固定在反力板上，加压油缸的活塞杆与施力板连接。

所述的反力板有五块，五块反力板包括一块底反力板和四块侧反力板，底反力板与回转座之间设有支腿。

所述的五块反力板围成一个岩石箱，每个反力板内侧均设有若干个加压油缸，每块反力板对应设有一块施力板；所述的施力板围成一个方形内腔，岩石设置在方形内腔内。

所述的反力板外侧设有撑紧环；所述的保持架上设有支撑台，支撑台的上表面为弧形面，弧形面上设有滚柱。

所述的可调刀盘包括刀座和推进油缸，刀座设置在刀座滑台上，刀座滑台设置在刀盘滑架上，刀座与刀座滑台滑动连接；推进油缸的底座固定在保持架上，推进油缸的活塞杆与刀盘滑架连接。

所述的刀座上部设有滚刀，刀座下部设有丝杠，丝杠两端由轴承座进行支撑，丝杠通过丝杠螺母座与刀座滑台连接；所述的刀座滑台的两侧设有滑槽，刀座下部的两侧设有凸台，滑槽和凸台滑动配合。

所述的刀座滑台的两侧设有滑槽，刀座下部的两侧设有凸台，滑槽和凸台滑动配合。

所述的保持架上设有滑轨，刀盘滑架通过滑轨与保持架连接。

所述的刀座上设有激光测距传感器、六维力传感器、温度传感器、霍尔传感器或加速度传感器。

所述的保持架包括左侧板和右侧板，左侧板和右侧板通过下底板连接，所述的保持架上设有滑轨，滑轨两端分别与左侧板、右侧板连接。

所述的地基上设有凹槽，顶升油缸设置在凹槽内；所述的顶升油缸包括左侧顶升油缸和右侧顶升油缸，左侧顶升油缸与左侧板铰接连接，右侧顶升油缸与下底板铰接连接。

一种适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台的测试方法，包括以下步骤：①固定岩石：将岩石固定在围压加压装置内，通过推进油缸调节可调刀盘的位置和推力；

②通过加压油缸给岩石加压，并通过回转座使岩石做整周旋转运动；

③步骤②所述的岩石做整周旋转运动时，推进油缸推动刀座沿着导轨方向运动，使滚刀在岩石上挤压出不同的切削轨迹；同时采用水射流喷嘴、粒子喷嘴、激光发生器或电极辅助破岩；刀座向着岩石方向运动的同时监测滚刀的磨损量、刀轴受力、工作温度以及转速，并将收集到的数据传输到控制系统，并进行信号分析与处理，通过人机交互平台在线监测滚刀工作状态以及寿命预测；

④步骤③所述的滚刀在岩石上挤压出不同的切削轨迹时，改变加压油缸对岩石的作用力，即改变岩石的围压，分别监测岩石在受到不同围压时滚刀的磨损量、刀轴受力、工作温度以及转速。

步骤③所述的刀座通过丝杠前后移动，调节刀座在刀座滑台上的位置，进而调节滚刀在岩石上划出的切削轨迹的位置或间距。

本实用新型使用时，以围压加压装置旋转代替实际施工过程中的刀盘旋转，简化实验装置，增大实验装置的可靠性；可调刀盘上的刀座位置根据需要进行调节刀间距，刀盘相对于围压加压装置的旋转形成不同的切削轨迹；本实用新型整个实验台可开展不同围压、不同贯入度、不同岩石的水射流-滚刀、粒子冲击-滚刀、脉冲放电-滚刀、激光-滚刀等耦合破岩实验第四代半掘进机，也可单独对高压水射流、高速粒子、高压风、临界二氧化碳、液氮、激光、高压电脉冲、微波等新型破岩方式的第五代掘进机进行破岩实验，在实验室环境下通过对滚刀数据采集分析，为第四代半、第五代掘进机的研发提供试验指导。

附图说明

图1是保持架为水平状态时的本实用新型结构示意图；

图2是保持架为倾斜状态时的本实用新型结构示意图；

图3是本实用新型围压加压装置处放大结构示意图；

图4是本实用新型围压加压装置内部结构示意图；

图5是本实用新型加压油缸与施力板相配合的结构示意图；

图6是本实用新型可调刀盘结构示意图；

图7是本实用新型可调刀盘局部结构示意图；

图8是本实用新型刀座与刀座滑台相配合的结构示意图；

图9是本实用新型刀座结构示意图；

图10是图1的机器人臂处局部放大结构示意图；

图11是本实用新型控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图11所示，一种适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，包括保持架3，保持架3上设有围压加压装置4、机械臂5和可调刀盘6，可调刀盘6与保持架3滑动连接，保持架3通过顶升油缸2与地基1连接，机械臂5一端与保持架3连接，机械臂5另一端设有喷嘴501。本实用新型的机械臂5设置在保持架3的滑轨34上，滑轨34上设有横轴341，机械臂5固定在横轴上。实际施工过程中以隧道掌子面固定，刀盘和喷嘴501旋转的方式进行破岩，刀盘旋转需要各种电路控制，用于电路控制的导线直接从主机连接至刀盘位置，这就导致与刀盘相连与大量的导线、管道等，结构较为繁重复杂，本实用新型以围压加压装置旋转代替实际施工过程中的刀盘和喷嘴501旋转，刀盘不转，不需要连接大量导线、管道等，简化实验装置，减少实验的干扰因素，增大实验装置的可靠性。

所述的喷嘴501为水射流喷嘴、粒子喷嘴、高压风、临界二氧化碳、液氮、激光发生器、高压脉冲电极、微波发生器等。本实用新型以高压水射流喷嘴为例，通过机械臂可以调整喷嘴的角度、与岩石的靶矩、与滚刀的相对安装位置，以测试相关参数对破岩效果的影响。本实用新型与水射流喷嘴配套设有加压水发生装置，与粒子喷嘴配套设有粒子注入系统。

所述的喷嘴501为激光发生器或电极。与激光发生器配套设有激光发生装置，与电极配套设有高压脉冲放电系统，本实用新型通过机械臂5携带水流管道、电缆线等，方便移动，简化实验装置。

所述的围压加压装置4包括回转座401、加压油缸405和施力板405-2，与回转座401相连设有反力板404，加压油缸405的底座固定在反力板404上，加压油缸405的活塞杆与施力板405-2连接。

所述的反力板404有五块，五块反力板404包括一块底反力板4041和四块侧反力板4042，底反力板4041与回转座401之间设有支腿402。支腿402为底反力板4041提供支撑。本实用新型安装岩石时，从侧面进行安装，即将一块侧反力板4042设置为可开合的形式，安装岩石时，将改开侧反力板4042打开，安装岩石后，将该侧反力板4042合上并将其扣紧。

所述的五块反力板404围成一个岩石箱，每个反力板内侧均设有若干个加压油缸405，每块反力板404对应设有一块施力板405-2；所述的施力板405-2围成一个方形内腔，岩石8设置在方形内腔内。本实用新型所有的施力板形成的是一个2m×2m的正方体内腔，正方体内腔用于放置岩石8，反力板的设置为加压油缸工作时提供反例。本实用新型围压加压装置可利用加压油缸对岩石进行五个面的加压，另一个面为开放面，作为滚刀破岩的掌子面；回转座401可驱动岩石箱做整周旋转运动。

所述的反力板404外侧设有撑紧环403；所述的保持架3上设有支撑台406，支撑台406的上表面为弧形面，弧形面上设有滚柱4061。撑紧环403通过加固筋4031与反力板连接。撑紧环403在加压油缸工作时与反力板一起提供反力，确保整个结构的强度可靠。支撑台406安装在保持架3的下底板上，为岩石箱横放时提供支撑，滚柱4061设置在与撑紧环403接触的位置，减小围压加压装置4做旋转运动时的阻力。

所述的可调刀盘6包括刀座604和推进油缸7，刀座604设置在刀座滑台602上，刀座滑台602设置在刀盘滑架601上，刀座604与刀座滑台602滑动连接；推进油缸7的底座固定在保持架3上，推进油缸7的活塞杆与刀盘滑架601连接。推进油缸7为可调刀盘6提供推力；刀座滑台602有四个，四个刀座滑台602成十字排列，每个刀座滑台602上装有一个刀座，每个刀座上装有一把滚刀，则本实用新型共设置四把滚刀，四把滚刀的刀座分别安装四个刀座滑台602的不同位置，在围压加压装置4旋转时，四把滚刀可以在岩石上形成4个不同的运动轨迹。

所述的刀座604上部设有滚刀605，刀座604下部设有丝杠603，丝杠603两端由轴承座进行支撑，丝杠603通过丝杠螺母座与刀座滑台602连接；所述的刀座滑台602的两侧设有滑槽6021，刀座604下部的两侧设有凸台6041，滑槽6021和凸台6041滑动配合。本实用新型刀座运动靠丝杠603传动，形成刀间距可调的可调刀盘6。

所述的刀座滑台602的两侧设有滑槽6021，刀座604下部的两侧设有凸台6041，滑槽6021和凸台6041滑动配合。本实用新型使用时，丝杠603旋转，推动刀座604相对刀座滑台602向前移动或向后移动，同时凸台6041在滑槽6021内滑动，保持刀座604平稳滑动。刀座604可沿刀座滑台602做直线运动，实现调节刀间距的目的。

所述的保持架3上设有滑轨34，刀盘滑架601通过滑轨34与保持架3连接。所述的滑轨34为圆柱形滑轨，圆柱形滑轨有四根。可调刀盘6通过刀盘滑架601安装在保持架3的圆柱形滑轨34上，刀盘滑架601可沿滑轨34滑动。

所述的刀座604上设有激光测距传感器606、六维力传感器607、温度传感器608、霍尔传感器609、或加速度传感器610。刀座604内装有多种类型传感器，其中激光测距传感器606、六维力传感器607、温度传感器608、霍尔传感器609、加速度传感器，分别监测滚刀工作过程中的磨损量、刀轴受力、工作温度以及转速、振动信息，别将收集到的数据传输到控制系统9，并进行信号分析与处理，通过人机交互平台10达到在线监测滚刀工作状态及剩余寿命预测的目的。控制系统9为本实用新型的诊断中心服务器，诊断中心服务器用来对采集的滚刀数据分析处理，并结合历史数据对滚刀状态做出判断，将结果通过人机交互平台10显示，由专业技术人员进行处理。

所述的机械臂5末端设有高速相机。高速相机用于拍摄滚刀与岩石8相互作用时岩石的破碎过程，可根据需求安装不同数量的机械臂。

所述的保持架3包括左侧板31和右侧板33，左侧板31和右侧板33通过下底板32连接，所述的保持架3上设有滑轨34，滑轨34两端分别与左侧板31、右侧板33连接。左侧板31、右侧板33和下底板32形成U型保持架。推进油缸7的底座固定在右侧板33上。

所述的地基1上设有凹槽11，顶升油缸2设置在凹槽11内；所述的顶升油缸2包括左侧顶升油缸21和右侧顶升油缸22，左侧顶升油缸21与左侧板31铰接连接，右侧顶升油缸22与下底板32铰接连接。使用时，通过调节左侧顶升油缸21和右侧顶升油缸22的活塞杆的伸出长度，可使保持架3与水平面之间形成0-90°范围内的任意角度的夹角，进而模拟盾构、TBM掘进过程中的上、下坡过程。

一种适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台的测试方法，包括以下步骤：①固定岩石8：将岩石8固定在围压加压装置4内，通过推进油缸7调节可调刀盘6的位置和推力；

②通过加压油缸405给岩石8加压，并通过回转座401使岩石8做整周旋转运动；

③步骤②所述的岩石8做整周旋转运动时，推进油缸7推动刀座604沿着导轨方向运动，使滚刀605在岩石8上挤压出不同的切削轨迹；同时采用高压水射流、高速粒子、激光发生器或高压脉冲电极、临界二氧化碳等辅助破岩；刀座604向着岩石方向运动的同时监测滚刀的磨损量、刀轴受力、工作温度以及转速，并将收集到的数据传输到控制系统9，并进行信号分析与处理，通过人机交互平台10在线监测滚刀工作状态以及寿命预测；刀座604的传感系统中激光测距传感器606、六维力传感器607、温度传感器608、霍尔传感器609或加速度传感器610可监测滚刀的磨损量、刀轴受力、工作温度以及转速、振动信息；传感系统将采集后的数据传输至控制系统，控制系统9根据多源信息分析与处理及智能算法预测刀具寿命，通过人机交互平台10在线监测滚刀工作状态；

④步骤③所述的滚刀605在岩石8上挤压出不同的切削轨迹时，改变加压油缸405对岩石8的作用力，即改变岩石8的围压，分别监测岩石在受到不同围压时滚刀的磨损量、刀轴受力、工作温度、转速及振动信息。本实用新型也可以先进行高压水射流、高速粒子、激光发生器或高压脉冲电极、临界二氧化碳等辅助破岩制造临空面，然后施加滚刀破岩；

也可以高压水射流、高速粒子、激光发生器或高压脉冲电极、临界二氧化碳等辅助破岩制造临空面，与滚刀破岩同时进行。更换岩石，本实用新型可以针对不同岩石类型、不同围压、不同推力、不同刀间距、不同贯入度下，研究刀具的破岩机理、贯入度、受力、转速、温度、磨损、崩刃、寿命预测等实时状态监测与研究。

步骤③所述的刀座604通过丝杠603前后移动，调节刀座604在刀座滑台602上的位置，进而调节滚刀605在岩石8上划出的切削轨迹的位置或间距；同时可通过调节机械臂末端执行器喷嘴，改变破岩的位置与方式，调节为与滚刀同轨迹破岩、异轨迹破岩。本实用新型可实现滚刀单独破岩，第四代半、第五代新型破岩方式单独破岩，也可实现新型破岩方式与滚刀联合破岩方式的耦合实验。

本实用新型使用时，以围压加压装置旋转代替实际施工过程中的刀盘旋转，简化实验装置，增大实验装置的可靠性；可调刀盘上的刀座位置根据需要进行调节刀间距，刀盘相对于围压加压装置的旋转形成不同的切削轨迹；本实用新型整个实验台可开展不同围压、不同贯入度、不同岩石的水射流-滚刀、粒子冲击-滚刀、脉冲放电-滚刀、激光-滚刀等耦合破岩实验第四代半掘进机，也可单独对高压水射流、高速粒子、高压风、临界二氧化碳、液氮、激光、高压电脉冲、微波等新型破岩方式的第五代掘进机进行破岩实验，在实验室环境下通过对滚刀数据采集分析，为第四代半、第五代掘进机的研发提供试验指导。

Claims (12)

1.一种适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，其特征在于：包括保持架（3），保持架（3）上设有围压加压装置（4）、机械臂（5）和可调刀盘（6），可调刀盘（6）与保持架（3）滑动连接，保持架（3）通过顶升油缸（2）与地基（1）连接，机械臂（5）一端与保持架（3）连接，机械臂（5）另一端设有喷嘴（501）。

2.根据权利要求1所述的适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，其特征在于：所述的喷嘴（501）为水射流喷嘴、高速粒子喷嘴、或临界二氧化碳喷嘴。

3.根据权利要求1所述的适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，其特征在于：所述的喷嘴（501）为脉冲放电电极或激光头。

4.根据权利要求1所述的适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，其特征在于：所述的围压加压装置（4）包括回转座（401）、加压油缸（405）和施力板（405-2），与回转座（401）相连设有反力板（404），加压油缸（405）的底座固定在反力板（404）上，加压油缸（405）的活塞杆与施力板（405-2）连接。

5.根据权利要求4所述的适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，其特征在于：所述的反力板（404）有五块，五块反力板（404）包括一块底反力板（4041）和四块侧反力板（4042），底反力板（4041）与回转座（401）之间设有支腿（402）。

6.根据权利要求5所述的适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，其特征在于：所述的五块反力板（404）围成一个岩石箱，每个反力板内侧均设有若干个加压油缸（405），每块反力板（404）对应设有一块施力板（405-2）；所述的施力板（405-2）围成一个方形内腔，岩石（8）设置在方形内腔内；所述的反力板（404）外侧设有撑紧环（403）；所述的保持架（3）上设有支撑台（406），支撑台（406）的上表面为弧形面，弧形面上设有滚柱（4061）。

7.根据权利要求1所述的适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，其特征在于：所述的可调刀盘（6）包括刀座（604）和推进油缸（7），刀座（604）设置在刀座滑台（602）上，刀座滑台（602）设置在刀盘滑架（601）上，刀座（604）与刀座滑台（602）滑动连接；推进油缸（7）的底座固定在保持架（3）上，推进油缸（7）的活塞杆与刀盘滑架（601）连接。

8.根据权利要求7所述的适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，其特征在于：所述的刀座（604）上部设有滚刀（605），刀座（604）下部设有丝杠（603），丝杠（603）两端由轴承座进行支撑，丝杠（603）通过丝杠螺母座与刀座滑台（602）连接；所述的刀座滑台（602）的两侧设有滑槽（6021），刀座（604）下部的两侧设有凸台（6041），滑槽（6021）和凸台（6041）滑动配合。

9.根据权利要求7所述的适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，其特征在于：所述的保持架（3）上设有滑轨（34），刀盘滑架（601）通过滑轨（34）与保持架（3）连接。

10.根据权利要求7所述的适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，其特征在于：所述的刀座（604）上设有激光测距传感器（606）、六维力传感器（607）、温度传感器（608）、霍尔传感器（609）或加速度传感器（610）。

11.根据权利要求1所述的适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，其特征在于：所述的保持架（3）包括左侧板（31）和右侧板（33），左侧板（31）和右侧板（33）通过下底板（32）连接，所述的保持架（3）上设有滑轨（34），滑轨（34）两端分别与左侧板（31）、右侧板（33）连接。

12.根据权利要求11所述的适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台，其特征在于：所述的地基（1）上设有凹槽（11），顶升油缸（2）设置在凹槽（11）内；所述的顶升油缸（2）包括左侧顶升油缸（21）和右侧顶升油缸（22），左侧顶升油缸（21）与左侧板（31）铰接连接，右侧顶升油缸（22）与下底板（32）铰接连接。